智慧實(shí)驗(yàn)：教育信息化的新陣地

薛耀鋒 蘇小兵 賀斌 祝智庭

[摘 要] 文章闡述了智慧實(shí)驗(yàn)的基本概念、系統(tǒng)架構(gòu)和功能組成，介紹和分析了國外已有的代表性實(shí)例，設(shè)計(jì)和開發(fā)了智慧實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)，為智慧實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

[關(guān)鍵詞] 智慧教育； 智慧實(shí)驗(yàn)； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

[中圖分類號] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 薛耀鋒（1977—），男，山東冠縣人。副研究員，博士，主要從事教育信息化研究。E-mail：yaofeng.xue@163.com。

一、引 言

2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了美國哈佛大學(xué)馬丁·卡普拉斯（Martin Karplus）教授， 美國斯坦福大學(xué)邁克爾·萊維特（Michael Levitt）教授和美國南加州大學(xué)阿里耶·瓦謝勒（Arieh Warshel）教授，獎(jiǎng)勵(lì)他們?yōu)橛?jì)算機(jī)模擬復(fù)雜化學(xué)過程提供了系統(tǒng)化的理論基礎(chǔ)，促進(jìn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的信息化發(fā)展，“把化學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬上了網(wǎng)絡(luò)”。[1]這三位科學(xué)家的突出科研成果可以看作是實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化發(fā)展的又一個(gè)里程碑，對未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和研究工作具有很大的啟發(fā)意義。

而我國在2010年發(fā)布的國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）也對未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展給出了明確指導(dǎo)意見，“建立虛擬實(shí)驗(yàn)室”，“增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成效”。[2]同時(shí)，國家教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）中也提到“建設(shè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室”，“遴選和開發(fā)1500套虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”。[3]可見，國家教育主管部門從頂層設(shè)計(jì)視角對未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展給出了明確的發(fā)展規(guī)劃。

在此背景下，結(jié)合教育信息化的發(fā)展方向，本文闡述了智慧實(shí)驗(yàn)的定義、理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)架構(gòu)和功能組成，介紹與分析國外已有的典型實(shí)例，揭示智慧實(shí)驗(yàn)的未來發(fā)展趨勢。

二、智慧實(shí)驗(yàn)

（一）定義和理論支撐

隨著信息技術(shù)對教育的深入影響，智慧教育成為學(xué)界的又一研究熱點(diǎn)。智慧教育以智慧學(xué)習(xí)環(huán)境為技術(shù)支撐、以智慧教學(xué)法為催化促導(dǎo)、以智慧學(xué)習(xí)為根本基石。[4]智慧教育是經(jīng)濟(jì)全球化、技術(shù)變革和知識爆炸的產(chǎn)物，也是教育信息化發(fā)展的必然階段。[5]而智慧實(shí)驗(yàn)是智慧教育的重要組成之一，也是智慧教育具體教學(xué)應(yīng)用的一種主要形式。智慧實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[6]，是教育信息化發(fā)展的新陣地。

智慧實(shí)驗(yàn)以滿足學(xué)習(xí)者和科研工作者的實(shí)際需求為最終目標(biāo)，以智慧教學(xué)理論為教學(xué)指導(dǎo)，以情境感知（Context Awareness）、泛在計(jì)算（Ubiquitous Computing）、人工智能（Artificial Intelligence）等先進(jìn)的信息技術(shù)理論為支撐，為廣大學(xué)習(xí)者和科研人員提供個(gè)性化、多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研服務(wù)。智慧實(shí)驗(yàn)的理論支撐圖式如圖1所示。

在智慧實(shí)驗(yàn)范疇中，學(xué)習(xí)者和科研人員是整個(gè)體系的核心，是以人為本理念的具體體現(xiàn)。智慧教學(xué)理論、人工智能理論、情境感知理論和泛在計(jì)算理論都是緊緊圍繞這一核心服務(wù)的。

智慧教學(xué)理論強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)對教學(xué)方式和教學(xué)過程的變革作用，建構(gòu)文化共享的學(xué)習(xí)共同體。[7]智慧教學(xué)理論根據(jù)教學(xué)情境的特點(diǎn)和約束條件，保持技術(shù)、學(xué)科知識和教學(xué)法三者的動(dòng)態(tài)平衡，并選擇應(yīng)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)法、學(xué)科內(nèi)容以及支持技術(shù)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者智慧學(xué)習(xí)的發(fā)生和智慧行為的涌現(xiàn)。[8]智慧教學(xué)理論是對具體教學(xué)情境中技術(shù)與學(xué)科知識、教學(xué)方法的復(fù)雜關(guān)系的平衡與權(quán)變，為尋求最為妥當(dāng)?shù)慕虒W(xué)處理方案提供一種可能。[9]在智慧實(shí)驗(yàn)中，智慧教學(xué)理論為學(xué)習(xí)者和科研人員提供智慧教學(xué)服務(wù)，轉(zhuǎn)變單一、落后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者為核心對象，采用多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生對學(xué)科知識的理解和掌握，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，形成個(gè)性化的培養(yǎng)新模式。

人工智能是研究人類智能行為（如感知、記憶、推理、證明、學(xué)習(xí)、思考等）機(jī)器化的綜合性學(xué)科，是極具發(fā)展?jié)摿Φ那把貙W(xué)科之一，也是引導(dǎo)人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要學(xué)科之一。自20世紀(jì)50年代末以后，人工智能作為涉及計(jì)算機(jī)、心理、自動(dòng)控制、仿生等多學(xué)科的交叉產(chǎn)物得到不斷發(fā)展，研究成果從圖靈機(jī)理論模型、圖靈準(zhǔn)則、形式化計(jì)算、數(shù)理邏輯、知識推理、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)到人工生命無所不有。人工智能的研究成果也被廣泛地應(yīng)用于人類社會(huì)等各個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)器問答、進(jìn)化機(jī)器人、人工大腦、虛擬三維場景、智能決策、語言識別、人工神經(jīng)元、智能醫(yī)療診斷、人臉識別、智能體等。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著人工智能理論體系的日趨完善和一些重大理論的研究突破，人工智能進(jìn)入了高等人工智能的發(fā)展新階段。[10]在智慧實(shí)驗(yàn)中，借助人工智能的知識表征理論、知識推理技術(shù)、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)理論與智能算法等技術(shù)理論的支撐，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝備和實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的智能化水平提升，突破語義鴻溝屏障，為學(xué)習(xí)者、科研人員與實(shí)驗(yàn)裝備和實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)之間架起雙向的信息交互橋梁，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的無障礙交互和自然交互。

對于情境，學(xué)者Dey給出了一個(gè)經(jīng)典定義：情境是可以表征某個(gè)實(shí)體的任何信息。該實(shí)體可以是與用戶及應(yīng)用的相互作用有關(guān)的人、地點(diǎn)或物體，也可以是該用戶或者該應(yīng)用本身。[11]情境可以包括用戶的基本信息、興趣偏好、用戶所處物理環(huán)境信息（如溫度、濕度等）、事件發(fā)生的時(shí)間信息（如年月日等）和用戶所隸屬組織或社會(huì)的信息（如制度、風(fēng)俗習(xí)慣等）。如果一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用情境來向用戶提供相關(guān)信息或服務(wù)，那么該系統(tǒng)就是情境感知（系統(tǒng)），其中的相關(guān)性取決于用戶的任務(wù)。[12]情境感知利用各種感知器件采集服務(wù)對象的基本信息及所處環(huán)境的信息、服務(wù)對象的興趣偏好、服務(wù)對象相關(guān)事件的發(fā)生時(shí)間和服務(wù)對象的操作信息等，歸納服務(wù)對象行為模式，分析服務(wù)對象實(shí)際需求，從而為互用提供個(gè)性化的服務(wù)，提高服務(wù)對象的滿意度。在智慧實(shí)驗(yàn)中，情境感知理論通過有線或無線感知器件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集學(xué)習(xí)者或科研人員的個(gè)人基本信息和所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境信息、地理位置信息、實(shí)驗(yàn)操作信息與人機(jī)交互信息等，為智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)提供重要的參考和依據(jù)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)方案和學(xué)習(xí)資源的智能推送。

隨著嵌入式計(jì)算設(shè)備、移動(dòng)終端設(shè)備、無線互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，泛在計(jì)算逐漸進(jìn)入到人們的日常工作和生活中。泛在計(jì)算是指一種隨時(shí)隨地、無所不在的計(jì)算模式，為用戶提供移動(dòng)、透明的計(jì)算服務(wù)。[13]泛在計(jì)算是桌面計(jì)算之后的新一代計(jì)算模式，它是計(jì)算設(shè)備微型化、無線化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展產(chǎn)物。自20世紀(jì)80年代末以來，泛在計(jì)算理論不斷發(fā)展和豐富，它在人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪幸驳玫讲粩鄳?yīng)用。泛在計(jì)算具有時(shí)空性、透明性、多態(tài)性、移動(dòng)性等特點(diǎn)。泛在計(jì)算的時(shí)空性是指其可以為用戶無時(shí)無刻提供無處不在的計(jì)算服務(wù)。泛在計(jì)算的透明性是指用戶不用特意使用傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備就可以接受計(jì)算服務(wù)。泛在計(jì)算的多態(tài)性是指其可以通過自然方式進(jìn)行人機(jī)交互，擺脫傳統(tǒng)的鼠標(biāo)—鍵盤—顯示屏的輸入輸出模式。泛在計(jì)算的移動(dòng)性是指其可以不受用戶地理位置的變化而提供計(jì)算服務(wù)。在智慧實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)者的教學(xué)信息和情境信息將會(huì)產(chǎn)生海量的動(dòng)態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)沒有顯著的規(guī)律，并且四處分布。同時(shí)智慧實(shí)驗(yàn)需要對這些異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量計(jì)算和處理，這些實(shí)際需求已經(jīng)超過了傳統(tǒng)計(jì)算模式的承載能力。而泛在計(jì)算以其時(shí)空性、透明性、多態(tài)性和移動(dòng)性的優(yōu)勢，為智慧實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)大的計(jì)算支撐，實(shí)現(xiàn)智慧實(shí)驗(yàn)的移動(dòng)、無線、實(shí)時(shí)、多用戶、多任務(wù)的計(jì)算服務(wù)。

（二）系統(tǒng)組成

智慧實(shí)驗(yàn)包括智慧實(shí)驗(yàn)裝備系統(tǒng)、智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)和智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)等三大組成部分，為廣大學(xué)習(xí)者和科研人員提供定制化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)科研系列服務(wù)，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1. 智慧實(shí)驗(yàn)裝備系統(tǒng)

智慧實(shí)驗(yàn)裝備系統(tǒng)是指人工智能與實(shí)驗(yàn)技術(shù)深度融合之后產(chǎn)生的新一代實(shí)驗(yàn)裝備，具備感知、分析、推理和控制等功能，并具有便攜、移動(dòng)、無線通信、3D顯示等特點(diǎn)，為智慧實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)大的裝備服務(wù)。智慧實(shí)驗(yàn)裝備系統(tǒng)的功能概念圖如圖3所示。智慧實(shí)驗(yàn)裝備系統(tǒng)包括新一代手持實(shí)驗(yàn)裝備、頭戴式實(shí)驗(yàn)裝備、3D投影實(shí)驗(yàn)裝備、觸覺和力反饋實(shí)驗(yàn)裝備等。

新一代手持式實(shí)驗(yàn)裝備配備有高計(jì)算速度的中央處理器、高分辨率攝像頭、觸摸屏、陀螺儀和其他嵌入式硬件，并具有無線上網(wǎng)功能，可以方便地與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交互。頭戴式實(shí)驗(yàn)裝備可以為用戶提供3D虛擬視效和環(huán)繞立體聲音效，具有大視場，并支持高分辨率的顯示。3D投影實(shí)驗(yàn)裝備可直接投影出立體圖像，使用戶擺脫了專用眼鏡和頭戴式裝備的穿戴不方便，增強(qiáng)了立體渲染效果，并支持多用戶同時(shí)使用。觸覺和力反饋實(shí)驗(yàn)裝備在智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，增強(qiáng)用戶身臨其境的互動(dòng)感受。

2. 智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)

智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)從生態(tài)心理學(xué)視角出發(fā)，以環(huán)境給養(yǎng)理論[14]為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者和科研人員的動(dòng)態(tài)定位跟蹤、行為識別、實(shí)驗(yàn)條件自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境自適應(yīng)調(diào)整、實(shí)驗(yàn)情境數(shù)據(jù)計(jì)算處理等實(shí)驗(yàn)環(huán)境服務(wù)。

環(huán)境給養(yǎng)是指在人與環(huán)境的交互過程，由環(huán)境的屬性或?qū)傩越M合所提供的，可被直接感知的、并能誘發(fā)有意圖的活動(dòng)或行為，以實(shí)現(xiàn)一定效用的動(dòng)態(tài)的互惠關(guān)系。[15]智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)參照環(huán)境給養(yǎng)理論的生態(tài)框架和六大設(shè)計(jì)原則，[16]設(shè)計(jì)智慧型實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的物理給養(yǎng)、認(rèn)知給養(yǎng)、感覺給養(yǎng)、操縱給養(yǎng)、情境給養(yǎng)[17]之間的生態(tài)互動(dòng)關(guān)系，從而大幅提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)績效。

根據(jù)功能的不同，智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)可劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、推斷層和控制層等四個(gè)層級，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在大多數(shù)的智慧實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用中，智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)整合傳感器技術(shù)（如光學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器、重力傳感器等）和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，運(yùn)用無線射頻（RF）定位技術(shù)，在參考特定的環(huán)境地圖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對用戶的運(yùn)動(dòng)跟蹤。在對用戶的動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)驗(yàn)情境的空間模型，實(shí)現(xiàn)對用戶的行為識別。智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將感知和測量的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)。智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)將依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體環(huán)境條件要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等，為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)造良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同時(shí)，智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)也會(huì)參照實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體場要求，自適應(yīng)地調(diào)整實(shí)驗(yàn)室的布局和開啟或關(guān)閉相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝備，為實(shí)驗(yàn)操作人員提供合適的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3. 智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)以學(xué)習(xí)空間設(shè)計(jì)原則[18]為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行無縫鏈接，為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者和科研人員提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、人機(jī)交互、實(shí)驗(yàn)場景庫、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)評價(jià)、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)分析等服務(wù)，構(gòu)建智慧的學(xué)習(xí)空間。智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)管理層、實(shí)驗(yàn)教師層、情境推理層、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)層（即個(gè)人學(xué)習(xí)空間[19]）等四個(gè)組成部分，具體見圖5所示。

智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要考慮實(shí)驗(yàn)管理員、實(shí)驗(yàn)教師和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者三個(gè)角色。實(shí)驗(yàn)管理員利用智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以查詢和修改實(shí)驗(yàn)教師信息與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者信息，新增和修改實(shí)驗(yàn)課程信息，為實(shí)驗(yàn)課程分配時(shí)間段，安排實(shí)驗(yàn)教師授課，控制學(xué)習(xí)者的選課進(jìn)度，統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)成績和出勤情況，評價(jià)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況，管理和維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，向教師和學(xué)習(xí)者發(fā)布通知公告信息。實(shí)驗(yàn)教師通過智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以查詢實(shí)驗(yàn)教學(xué)課表和選擇實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)者名單，為不同層次的學(xué)生設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，篩選和推薦實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，批改學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，錄入和核查學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)成績。

智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者構(gòu)建了個(gè)人學(xué)習(xí)空間。[20]在個(gè)人學(xué)習(xí)空間，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者可以參考多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，根據(jù)個(gè)人學(xué)習(xí)需求選擇實(shí)驗(yàn)課程，閱讀自動(dòng)推送的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)資源，如微視頻資源。[21]實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者在智慧指導(dǎo)功能的幫助下完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作。應(yīng)用個(gè)人學(xué)習(xí)空間提供的各類學(xué)習(xí)工具，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，查看自己的實(shí)驗(yàn)成績，了解智慧實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)分析報(bào)告和評價(jià)結(jié)果，透析自己對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的掌握情況，改進(jìn)自己的不足。

而情境推理層通過分析情境感知數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，借助情境模型對情境數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和匹配。然后利用推理引擎，準(zhǔn)確推理用戶的真實(shí)學(xué)習(xí)需求，并推送個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)資源給用戶對象。

三、典型實(shí)例

智慧實(shí)驗(yàn)?zāi)壳霸趪鴥?nèi)外正處于不斷發(fā)展階段。表1列出了七個(gè)具有代表性的智慧實(shí)驗(yàn)典型實(shí)例。

墨西哥學(xué)者M(jìn)illan-Almaraz[22]等開發(fā)了一類基于新型FPGA（大規(guī)模集成電路）的光合作用智能傳感器系統(tǒng)，并在辣椒的光合作用實(shí)驗(yàn)中得到成功應(yīng)用。此智能傳感器系統(tǒng)能夠采集溫度、相對濕度、太陽輻射、CO2、空氣壓力和空氣流量等傳感器信號。此系統(tǒng)的測量結(jié)果用來實(shí)時(shí)計(jì)算凈光合速率，并通過無線通信傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)。它還可以估算碳含量等變量，并完成信號處理等功能，如平均抽取和卡爾曼濾波器。

羅馬尼亞學(xué)者Gorghiu等[23][24]承擔(dān)了歐盟項(xiàng)目“VccSSe”，即虛擬社區(qū)合作空間科學(xué)教育項(xiàng)目。該項(xiàng)目的合作伙伴由羅馬尼亞、西班牙、波蘭、芬蘭和希臘等五個(gè)國家的九個(gè)研究機(jī)構(gòu)組成。此項(xiàng)目的主要目標(biāo)就是基于虛擬儀器實(shí)驗(yàn)軟件，開發(fā)、測試、實(shí)施和推廣相關(guān)培訓(xùn)模塊并結(jié)合課堂教學(xué)方法和教學(xué)策略進(jìn)行應(yīng)用。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，項(xiàng)目組開發(fā)了總時(shí)間為40小時(shí)的培訓(xùn)模塊“虛擬儀器在科學(xué)教育中的應(yīng)用”，并設(shè)計(jì)了四個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)課程。最終，他們一共開發(fā)了50個(gè)視頻教學(xué)資源和9個(gè)在線/遠(yuǎn)程模擬實(shí)驗(yàn)。這九個(gè)在線/遠(yuǎn)程模擬實(shí)驗(yàn)主要是物理和數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，具體包括氣體定律、電共振研究、傳熱研究、瀏覽器工作坊、三角形的專用線、神秘的四邊形（1和2）、角的奇妙世界（1和2）等。總共有363個(gè)科學(xué)教師和約2900名學(xué)生使用了此培訓(xùn)模塊和實(shí)驗(yàn)課件。

捷克學(xué)者Sládek[33]等開發(fā)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)可以提供一天24小時(shí)的服務(wù)。在該遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中，振蕩器的振蕩取決于振動(dòng)激勵(lì)力的頻率。實(shí)驗(yàn)中，用戶可以通過攝像頭直接觀看整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作。自2009春季學(xué)期遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)部署完成開始，截止到2010年12月，已經(jīng)有4200多個(gè)注冊用戶訪問了此遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

塞爾維亞學(xué)者Stefanovic[34]提出了一整套采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)解決方案，并開發(fā)了兩套遠(yuǎn)程控制和虛擬實(shí)驗(yàn)：倒立擺和四耦合蓄水池。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)已使用了兩年，并對使用此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的1595名學(xué)生和24名教師進(jìn)行了調(diào)查評估，普遍反映良好。

波蘭學(xué)者Wojciechowski[35]采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境。此學(xué)習(xí)環(huán)境是一個(gè)使領(lǐng)域?qū)＜遥缃處煟e極參與創(chuàng)作過程的互動(dòng)教育方案。此學(xué)習(xí)環(huán)境是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境建模方法的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。此方法使教師能夠?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)計(jì)和創(chuàng)造學(xué)習(xí)場景。

臺灣地區(qū)Hwang教授等[36]整合無線技術(shù)、移動(dòng)技術(shù)和情境感知技術(shù)，建立了一個(gè)基于情境感知的X射線衍射單晶體結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。此實(shí)驗(yàn)過程中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都安裝了傳感器和攝像頭，每個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者都配備了一臺PDA（個(gè)人數(shù)字輔助終端）和遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)軟件。學(xué)習(xí)者通過PDA和實(shí)驗(yàn)軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作。

美國哈佛大學(xué)Kamarainen教授等[37]在美國自然科學(xué)基金、高通公司和德州儀器公司的資助下開發(fā)了生態(tài)系統(tǒng)移動(dòng)戶外仿真學(xué)習(xí)環(huán)境項(xiàng)目（Ecosystems Mobile Outdoor Blended Immersive Learning Environment，EcoMOBILE）。此項(xiàng)目應(yīng)用了傳感器技術(shù)、便攜式手持終端技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)池塘使用環(huán)境傳感器進(jìn)行實(shí)地考察學(xué)習(xí)，并應(yīng)用智能手機(jī)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)軟件輔助中學(xué)生生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)的學(xué)習(xí)，使他們了解水質(zhì)測量實(shí)驗(yàn)的具體步驟和數(shù)據(jù)分析。

四、應(yīng)用系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

依據(jù)智慧實(shí)驗(yàn)的原理和中學(xué)地理探究性學(xué)習(xí)信息化環(huán)境設(shè)計(jì)模型，[38]我們設(shè)計(jì)了一個(gè)面向中學(xué)地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的智慧實(shí)驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

此中學(xué)地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)首先通過我們自主研發(fā)的地理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，對校園地理環(huán)境的溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量、蒸發(fā)量、光輻射、土壤溫度、土壤濕度等參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制和無線傳輸，并將測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者也可以通過便攜式手持測量工具對相關(guān)地理環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，利用智能手機(jī)或平板電腦將數(shù)據(jù)寫入到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中。實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者根據(jù)智慧教學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)推送的個(gè)性化教學(xué)方案，利用網(wǎng)上個(gè)人學(xué)習(xí)空間上提供的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)工具（見圖7）、繪圖工具（見圖8）、數(shù)據(jù)分析工具等學(xué)習(xí)工具完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交給教師批改，完成實(shí)驗(yàn)課程。而教師可以選擇實(shí)驗(yàn)課程，推薦學(xué)習(xí)資源，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況等。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)通過對溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，控制實(shí)驗(yàn)室的燈光、空調(diào)等設(shè)備適應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程的開展。

此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已在上海市某中學(xué)的地理實(shí)驗(yàn)課堂上進(jìn)行了教學(xué)應(yīng)用，各項(xiàng)功能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

五、結(jié) 束 語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的突破口，是信息技術(shù)與教學(xué)活動(dòng)深度融合的領(lǐng)地，也是基礎(chǔ)教育教學(xué)變革的重要陣地。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基礎(chǔ)教育乃至高等教育和職業(yè)教育轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵實(shí)踐。

隨著信息技術(shù)在教學(xué)活動(dòng)中的深入應(yīng)用，智慧實(shí)驗(yàn)理論將會(huì)不斷發(fā)展和豐富，智慧實(shí)驗(yàn)應(yīng)用案例將會(huì)不斷增加。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，也將為智慧實(shí)驗(yàn)注入新的活力，智慧實(shí)驗(yàn)將會(huì)上升到新的發(fā)展階段。我們相信在不久的將來，智慧實(shí)驗(yàn)將在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域生根開花，取得更加豐富多彩的成果。

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